Zeszyty Naukowe
Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk
* Dr inż., ** Dr, Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa; e-mail: jmirek@igf.edu.pl, rudzin@igf.edu.pl
rok 2017, nr 97, s. 163–172
Janusz MIREK*, Łukasz RUDZIŃSKI**
LUMINEOS – nowoczesna sieć sejsmologiczna
do monitorowania sejsmiczności i poziomu drgań gruntu
na obszarze eksploatacji złóż miedzi
w Legnicko-Głogowskim Okręgu Miedziowym
Streszczenie: Legnicko-Głogowski Okręg Miedziowy od lat siedemdzisiątych XX wieku jest obszarem intensywnej eksploatacji złóż miedzi. Prowadzone prace górnicze spowodowały pojawienie się sejsmiczności indukowanej, a to z kolei pociągnęło za sobą konieczność prowadzenia obserwacji za pomocą podziemnych sieci sejsmo-logicznych. W połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku, z uwagi na duże szkody obiektów znajdujących się na powierzchni wywołane drganiami gruntu pochodzenia sejsmicznego, pojawiły się naziemne stacje sejsmo-metryczne (akcelerometryczne). Monitorują one poziom drgań zarówno gruntu, jak i samych obiektów (Mirek 2002). Przyczyniło się to do poszerzenia wiedzy w zakresie charakteru drgań gruntu, jak i odporności obiektów budowlanych. W ostatnich latach zagrożenia antropogeniczne, do których zalicza się sejsmiczność indukowaną działalnością górniczą, wzbudzają coraz większe zainteresowanie. Żeby móc rozwijać metody badania fizyki źródła sejsmicz-nego, analizy wpływu drgań na powierzchnię czy hazardu sejsmicznego, należy także rozwijać i modernizować sieci pomiarowe. W ramach projektu IS-EPOS „Cyfrowa przestrzeń badawcza sejsmiczności indukowanej dla celów EPOS”, w latach 2014–2015, rozbudowano nowoczesną sieć sejsmologiczną LUMINEOS składającą się obecnie z 15 sejsmometrów i 10 akcelerometrów z możliwością dalszej rozbudowy. Sieć ukierunkowana jest zarówno na obserwacje zjawisk sejsmicznych, jak i obserwacje poziomu drgań gruntu. Dane uzyskiwane z sieci LUMINEOS dopełniają istniejące kopalniane sieci podziemne (Koziarz i Szłapka 2010) oraz powierzchniowe sieci akcelerometryczne (Mirek i in. 2006; Mirek 2005), a także pozwalają na prowadzenie zaawansowanych analiz sejsmologicznych.
LUMINEOS – modern seismological network for monitoring seismic activity and the level of ground vibration in the area of Legnica-Głogów Copper Mine District
Abstract: Since the 1970s, the Legnica-Głogów Copper District has an area of intensive mining of copper. Mining activities resulted in the appearance of induced seismic activity. This situation caused the necessity of setting an underground seismological network. In the mid-1990s, due to the great damage of objects on the surface caused by the ground vibrations due to mining tremors, a surface strong motion seismic network equipped with accelerometers was created. They monitor the vibration levels of both the land and the buildings themselves. This contributed to a better knowledge of the nature of ground vibration and the resistance of objects. In recent years, anthropogenic threats, which include seismicity induced by mining activities, are arousing more and more interest. To be able to develop test methods for seismic source physics, the analysis of the impact of vibrations on the surface and the seismic hazard, network measurement should also be developed and modern-ized. In the years 2014–2015, the IS-EPOS “Digital research space of induced seismicity for EPOS purposes” project, extended the LUMINEOS modern seismological network presently consisting of 15 seismometers and 10 accelerometers, with the possibility of additional further expansion. The data obtained from the LUMINEOS network complements the existing underground mining network and surface strong motion network. This allows for an advanced seismic analysis. Keywords: seismic monitoring, mining tremors Wprowadzenie
Cyfrowe sieci sejsmologiczne stanowią podstawę rejestracji zjawisk sejsmicznych od lat 80. XX wieku. W tym czasie powstało wiele sieci dedykowanych rejestracji sejsmiczności natural-nej czy to tektonicznatural-nej, czy wulkanicznatural-nej. Niemniej, w porównaniu z sejsmicznością naturalną, nie było znacznego zaangażowania środków do prowadzenia obserwacji nowoczesnymi siecia-mi sejsmologicznysiecia-mi obszarów występowania sejssiecia-miczności indukowanej. W ostatnim czasie, szczególnie zaś od początku drugiej dekady XX wieku, zauważalny jest wzrost zainteresowania środowiska naukowego oraz inżynierskiego zjawiskami antropogenicznymi wywołanymi pod-ziemną działalnością człowieka (Grigoli i in. 2017). Znaczący wzrost nakładów finansowych na obserwacje sejsmiczności indukowanej zaowocował uruchomieniem na świecie kilku no-woczesnych sieci sejsmicznych dedykowanych jej obserwacji. Cechą charakterystyczną nowo-czesnej sieci sejsmicznej prowadzonej na potrzeby obserwacji sejsmiczności antropogenicz-nej jest powiązanie ze sobą rejestracji akcelerometrycznych oraz sejsmometrycznych, w tym w szczególności na niższych częstotliwościach (Grigoli i in. 2017). Opisywana w artykule sieć LUMINEOS w pełni wyczerpuje stawiane przed tego typu infrastrukturą wymogi.
Budowa sieci LUMINEOS zapoczątkowana została w roku 2013 postawieniem sejsmo-metrów krótkookresowych Lennartz Electronics 3DLite z rejestratorami Net Data Logger produkcji Instytutu Geofizyki PAN. Sieć zlokalizowana została na terenie Legnicko-Gło-gowskiego Okręgu Miedziowego w rejonie zbliżonym do pola wydobywczego Zakładów Górniczych Rudna w Polkowicach, KGHM Polska Miedź S.A. Ilość stacji wahała się od 6 do 9 w różnych okresach. Było to wciąż niewystarczające do przeprowadzania zaawanso-wanych analiz z należytą dokładnością. Modernizację sieci przewidziano w przygotowywa-nym wówczas projekcie „Cyfrowa przestrzeń badawcza sejsmiczności indukowanej dla ce-lów EPOS”. Projekt uzyskał finansowanie w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka i został zrealizowany w okresie od 01.10.2013 do 31.12.2015. Projekt składał się z wielu zadań, a jedno z nich przewidywało modernizację sieci LUMINEOS.
Założo-no instalację 10 Założo-nowych sejsmometrów i 10 akcelerometrów na terenie monitorowanym przez sieć LUMINEOS. W trakcie realizacji projektu zwiększono o 6 liczbę zakupionych sejsmometrów przeznaczonych do rozbudowy sieci. Aktualnie sieć LUMINEOS składa sie z 10 akcelerometrów i 15 sejsmometrów, a także projektowana jest dalsza jej rozbudowa.
1. Budowa i topologia sieci LUMINEOS
Sieć sejsmologiczna LUMINEOS składa się aktualnie z dziesięciu akcelerometrów AC-73 z rejestratorami GMSPlus firmy GeoSIG, trzynastu sejsmometrów VE-53/BB z rejestra-torami GMSPlus firmy GeoSIG oraz dwóch sejsmometrów Lennartz Electronics 3DLite z rejestratorami Net Data Logger produkcji Instytutu Geofizyki PAN, które planuje się wy-mienić na sejsmometry VE-53/BB. Akcelerometry AC-73 mają dynamikę 165 dB, czułość 2.5–20 V/g i płaskie pasmo przenoszenia 0–200 Hz. Sejsmometry GeoSIG VE-53/BB o dy-namice >125 dB i czułości 1000 V/m/s, rejestrują prędkość drgań gruntu w płaskim zakresie częstotliwości od 0,2 do 100 Hz, podczas gdy sprzęt Lennartza z rejestratorem NDL produk-cji polskiej w zakresie od 1 do100 Hz. Rozmieszczenie stanowisk sieci przedstawiono na rysunku 1. Białe trójkąty oznaczają stanowiska z zainstalowanymi sejsmometrami, czarne
Rys. 1. Rozmieszczenie stanowisk sieci LUMINEOS wraz z zaznaczonymi epicentrami zjawisk zarejestrowanych w okresie od 10.12.2013 do 11.07.2016 o energii większej niż 1E3 [J]. Trójkąty białe oznaczają sejsmometry, trójkąty czarne akcelerometry, kółka epicentra wstrząsów (IS-EPOS Platform)
Fig. 1. The localization of the LUMINEOS seismic network and epicenters of the events with energy higher than 1E3 [J] recorded between 2013-12-10 to 2016-07-11. White triangles – seismometers, black triangles – accelerometers, circles – seismic event epicenters (IS-EPOS Platform, last access – June, 2017)
trójkąty stanowiska z zainstalowanymi akcelerometrami. Kółkami zaznaczono epicentra zlo-kalizowanych przez sieć wstrząsów o energiach powyżej 1E3 [J]. W okresie od grudnia 2013 do lipca 2016 roku takich zjawisk zarejestrowano ponad dwa tysiące (rys. 1).
Tabela 1 przedstawia zestawienie stacji wchodzących w skład sieci LUMINEOS, za-wierające lokalizację stacji, jej kod, typ czujnika oraz częstotliwość próbkowania, która dla sejsmometrów wynosi 100 Hz, a dla akcelerometrów 250 Hz.
TAbELA 1. Zestawienie stacji sejsmologicznych sieci LUMINEOS TAbLE 1. List of the LUMINEOS network seismic stations
Lp. Długość geograficzna geograficznaSzerokość Kod stacji Czujnik Częstotliwość próbkownia [Hz] 1 16.1406 51.5002 DABR AC-63 250.0 2 16.1036 51.5312 GUZI AC-63 250.0 3 16.0544 51.5396 KAZI AC-63 250.0 4 16.1451 51.5272 KOMR AC-63 250.0 5 16.2338 51.5459 KRZY AC-63 250.0 6 16.0572 51.5047 PCHB AC-63 250.0 7 16.138 51.481 PEKW2 AC-63 250.0 8 16.2667 51.5877 RZEC AC-63 250.0 9 16.1088 51.5169 TRBC2 AC-63 250.0 10 16.1072 51.5811 OBIS AC-63 250.0 11 16.0933 51.4763 BRDW LE-3Dlite 100.0 12 16.1315 51.5693 DWOL VE-53/BB 100.0 13 16.211 51.5541 GROD VE-53/BB 100.0 14 16.0446 51.4515 JEDR VE-53/BB 100.0 15 16.1241 51.5947 KWLC LE-3Dlite 100.0 16 16.0878 51.5439 MOSK2 VE-53/BB 100.0 17 15.9796 51.4667 NWLU VE-53/BB 100.0 18 16.0906 51.4984 PPOL VE-53/BB 100.0 19 16.2559 51.5107 RUDN VE-53/BB 100.0 20 16.2165 51.4734 RYNR VE-53/BB 100.0 21 16.0214 51.5398 SGOR VE-53/BB 100.0 22 16.1659 51.5162 TRN2 VE-53/BB 100.0 23 16.3121 51.5897 TRZS VE-53/BB 100.0 24 16.1746 51.4783 ZMST VE-53/BB 100.0 25 16.1423 51.5434 ZUKW2 VE-53/BB 100.0
2. Dane z sieci LUMINEOS
Do najważniejszych elementów nowoczesnej sieci sejsmicznej należy możliwość wy-miany oraz udostępnienia danych cyfrowych dla szerokiego grona specjalistów w danej dziedzinie. O ile tego typu możliwości są typowe dla dużej liczby sieci sejsmometrycznych
skupionych na obserwacjach sejsmiczności naturalnej (np. w takich miejscach jak portal ORFEUS-EIDA), o tyle w przypadku sieci rejestrującej sejsmiczność indukowaną nie jest to spotykane. Nowatorskie podejście zbudowane w ramach projektu „Cyfrowa przestrzeń badawcza sejsmiczności indukowanej dla celów EPOS” wychodzi naprzeciw wymaganiom środowiska naukowego, inżynierskiego i społecznego. Zbudowana została w tym celu plat-forma prototypowa Thematic Core Service of Antropogenic Hazards for European Plate Observation System (EPOS). Platforma jest dostępna w sieci internetowej pod adresem http://tcs.ah-epos.eu/. Dane rejestrowane przez sieć sejsmologiczną LUMINEOS wchodzą w skład epizodu sejsmiczności indukowanej Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego LGCD: regional seismicity and ground motion associating underground hard rock mining. Epizod sejsmiczności indukowanej to obiekt platformy grupujący całą informację dotyczą-cą sejsmiczności związanej z poszczególnymi obserwowanymi rejonami. Dane z sieci są ogólnodostępne dla użytkowników, którzy zarejestrują się na platformie. Oprócz danych sejsmologicznych użytkownik ma do dyspozycji wiele dodatkowych danych, jak np. mo-del prędkości dla danego regionu (np. momo-del prędkościowy obszaru działania sieci LU-MINEOS – rys. 2). Platforma umożliwia nie tylko przeglądanie danych, ale także zawiera wyspecjalizowane oprogramowanie umożliwiające przetwarzanie danych, między innymi
lokalizację zjawisk czy wyznaczanie mechanizmu ogniska (rys. 3) z pomocą algorytmu opartego na analizie pierwszych wstąpień fali P.
3. Przykład zastosowania zapisów sieci LUMINEOS w zaawansowanych badaniach naukowych
Docelowym elementem sieci sejsmologicznej jest możliwość zastosowania zarejestro-wanych przez nią danych do zaawansozarejestro-wanych badań naukowych. W niniejszym artykule ograniczymy się jedynie do pokazania przykładowego rozwiązania mechanizmu ogniska z dnia 08.03.2016 z godziny 03:52:08.9, lokalizacja 51.52N; 16.15E; magnituda Mw3.0.
Rys. 2. Model prędkości opracowany dla sieci sejsmologicznej LUMINEOS na podstawie Dec i in. (2011) oraz Król (1998)
W tym celu posłużyliśmy się sejsmogramami sieci LUMINEOS, lokalnym modelem pręd-kości (Dec i in. 2011; Król 1998, patrz rys. 2) oraz metodą inwersji tensora sejsmicznego opartej na inwersji pełnego pola falowego z użyciem oprogramowania KIWI-tools (http:/ kinherd.org, Heimann 2011). Badania te są obecne w najnowszej literaturze tematu (Dreger i in. 2008; Sen i in. 2013; Whidden i in. 2013; Rudziński i in. 2016) i wypierają, w miarę powstawania trójskładowych sieci o większej dynamice, metody oparte na analizie pierw-szej części sygnału sejsmicznego (Rudziński 2013). Warto podkreślić, że mimo wielu prac z wykorzystaniem sieci istniejących: kopalnianych (np. Lizurek oraz Wiejacz 2011, przykła-dowy opis sieci: Koziarz oraz Szłapka 2010) czy też szerokopasmowych (np. Rudziński i in. 2016) – tego typu podejście nie byłoby możliwe bez powstania sieci LUMINEOS.
Nowoczesne, trójosiowe sieci sejsmologiczne rejestrujące drgania gruntu z dużą dynamiką oraz w szerokim paśmie częstotliwości (dolny próg płaskiej odpowiedzi poniżej 100 s) pozwalają na prowadzenie nieograniczonych analiz sejsmologicznych. Jednym z elementów fizyki źródła sejsmicznego, dla którego jakość zapisów musi być bardzo dobra, są prace dotyczące wyznaczania mechanizmów ogniskowych wstrząsów. Pomimo różnej metodologii, w tym również opartej na analizie pierwszych wstąpień fali sejsmicznej na poszczególnych Rys. 3. Mechanizmy wstrząsów o energii powyżej 1E6 [J] zarejestrowanych w okresie od 10.12.2013
do 11.07.2016 przez sieć LUMINEOS (IS-EPOS Platform, ostatnie wejście na stronę internetową – czerwiec 2017)
Fig. 3. Focal mechanism of seismic events with energy higher than 1E6 [J] recorder by the LUMINEOS seismic network between 2013-12-10 to 2016-07-11(IS-EPOS Platform, last accessed – June, 2017)
czujnikach, jedynie informacje zawarte w pełnym i prawidłowo zapisanym sygnale sejsmicznym są źródłem istotnych informacji o ognisku i jego naturze (Lizurek i in. 2015; Rudziński i in. 2016). W omawianym przykładzie pokazujemy, jak zapisy sieci sejsmologicznej LUMINEOS mogą posłużyć do bliższego poznania natury zjawisk indukowanych działalnością górniczą.
Jednym ze sposobów wyznaczania mechanizmów ogniskowych jest inwersja tensora momentu sejsmicznego z wykorzystaniem pełnego pola falowego (np. Dziewoński 1981; Cesca i in. 2010; Rudziński 2013; Rudziński i in. 2016). Metoda ta jest obecnie uważana za najbardziej wiarygodną w ocenie procesów pękania górotworu w sejsmologii z uwagi na analizę wszystkich informacji zawartych w zapisie sejsmicznym. W ten sposób osiąga się znacznie większe możliwości w porównaniu do metod opartych na inwersji pierwszych wstąpień fali, które znalazły pewne najprostsze zastosowania w polskich warunkach jak na przykład: wyznaczanie płaszczyzn nodalnych uskoku czy też rozróżnienie pomiędzy zjawiskami o mechanizmie ścinającym i nieścinającym (np. Lizurek i Wiejacz 2011; Wojtecki i Dzik 2013). Zastosowanie sieci LUMINEOS pozwala na rozpoczęcie prac z pełnym sejsmogramem, które w obecnej fazie dają obiecujące rezultaty.
Na rysunku 4 przedstawiony został przykład wykorzystania zapisów sieci LUMINEOS w postaci dopasowania sejsmogramów obserwowanych oraz syntetycznych dla wybranego
Rys. 4. Mechanizm przykładowego zjawiska sejsmicznego z obszaru działania sieci LUMINEOS. Rysunek pokazuje najlepsze rozwiązanie DC oraz porównanie sejsmogramów zarejestrowanych przez Sieć LUMINEOS (szare sygnały) z sejsmogramami syntetycznymi (czarne sygnały) obliczonymi dla tego rozwiązania
Fig. 4. Source mechanism of the selected seismic event occurred on an area monitored by the LUMINEOS network. The figure shows the best DC solution with a comparison between data (gray traces) recorded by the Lumineos Network and synthetics (black traces) calculated for the given solution
wstrząsu górniczego z dnia 08.03.2016. Rozwiązanie uzyskano w dwóch krokach (Cesca i in. 2010), przy czym w pierwszym kroku płaszczyzny nodalne uzyskano przy najlepszym dopasowaniu spektrów amplitudowych. W drugim kroku, w inwersji sejsmogramów w domenie czasu uzyskano informacje o strefach kompresji i tensji. W obu krokach zastosowano filtr pasmowy 0,6–1,7 Hz. Pasmo to dało najmniejszy błąd niedopasowania w inwersji oraz odpowiadało części spektrum o największej energii.
Podsumowanie
Sieć LUMINEOS jest nowoczesną siecią sejsmologiczną ukierunkowaną na obserwacje związane z sejsmicznymi zagrożeniami antropogenicznymi będącymi wynikiem działalno-ści górniczej w rejonie eksploatacji złóż miedzi w Legnicko-Głogowskim Okręgu Miedzio-wym. Aktualnie sieć składa się z dziesięciu akcelerometrów i piętnastu sejsmometrów. Dane z sieci są ogólnodostępne dla użytkowników na platformie cyfrowej Thematic Core Service of Antropogenic Hazards for European Plate Observation System (Platforma IS-EPOS). Dane rejestrowane przez sieć tworzą osobny epizod sejsmiczności indukowanej i mogą być przetwarzane bezpośrednio na platformie. Bardzo dobra jakość sieci i rejestracji stanowi podstawę do zaawansowanych badań naukowych nad charakterem sejsmiczności indukowa-nej, oddziaływaniem na powierzchnię, fizyką źródła, jak i hazardu sejsmicznego.
Praca została sfinansowana ze środków statutowych Instytutu Geofizyki PAN o numerze 3841/E-41/S/2017.
Literatura
Cesca i in. 2010 – Cesca, S., Heimann, S., Stammler, K. i Dahm, T. 2010. Automated procedure for point and kinema-tic source inversion at regional distances. J. Geophys. Res. 115, B6, B06304, DOI: 10.1029/2009JB006450. Dec 2011 – Dec, J., Pietsch, K. i Marzec, P. 2011. Application of seismic methods to identify potential gas con-centration zones at the Zechstein Limestone level in the “Rudna” mining area, SW Poland. Ann. Soc. Geol.
Pol. 81, 1, s. 63–78.
Dreger i in. 2008 – Dreger, D.S., Ford, S.R. i Walter, W.R. 2008. Source analysis of the Crandall Canyon, Utah, mine collapse. Science 321, 217, DOI:10.1126/science.1157392.
Grigoli i in. 2017 – Grigoli, F., Cesca, S., Priolo, E., Rinaldi, A.P., Clinton, J.F., Stabile, T.A., Dost, B., Garcia Fernandez, M., Wiemer, S. i Dham, T. 2017. Current challenges in monitoring, discrimination and manage-ment of induced seismicity related to underground industrial activities: a European perspective. Reviews of
Geophys., DOI:10.1002/2016RG000542.
Heimann, S. 2011. A robust method to estimate kinematic earthquake source parameters. Praca doktorska, Uni-versity of Hamburg, Niemcy.
Koziarz, E. i Szłapka, M. 2010. Kierunki dalszego rozwoju informatycznego systemu do bezpośredniej lokalizacji zjawisk dynamicznych w O/ZG „Rudna” KGHM „Polska Miedź” SA. Wiadomości Górnicze 3, s. 159–174. Król, M. 1998. Zastosowanie tensora momentu sejsmicznego oraz analizy widmowej fal sejsmicznych do badania
ognisk wstrząsów z rejonu kopalni miedzi „Polkowice-Sieroszowice”. Praca doktorska. Biblioteka Instytutu
Geofizyki PAN, Warszawa.
Lizurek, G. i Wiejacz, P. 2011. Moment Tensor Solution and Physical Parameters of Selected Recent Seismic Events at Rudna Copper Mine. GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences T. 2, s. 11-19, DOI: 10.1007/978-3-642-19097-1_2.
Lizurek i in. 2015 – Lizurek, G., Rudziński, Ł. i Plesiewicz, B. 2015. Mining Induced Seismic Event on an Inactive Fault. Acta Geophysica t. 63, z. 1, s. 176–200, DOI: 10.2478/s11600-014-0249-y.
Mirek, J. 2002: SEJS-NET: wide area network system for ground vibration. Publications of the Institute of Geo-physics Polish Academy of Sciences. vol. M-24, s. 181–185.
Mirek, J. 2005: Strong ground motion monitoring network in the Legnica–Głogów Copper Mining District. Acta
Geodynamica et Geomaterialia, s. 145–150.
Mirek i in. 2006 – Mirek, J., Bocian, S., Bączkowska, M. i Macioszczyk, M. 2006. Strong ground motion moni-toring system on the Polkowice Commune territory. Wydawnictwo IGSMiE PAN, Sympozja i Konferencje nr 67, s. 267–274.
Platforma IS-EPOS. [Online] Dostępne w: http://tcs.ah-epos.eu/ [Dostęp: 20.06.2017].
Rudziński, Ł. 2013. Rozwiązanie mechanizmu zjawiska sejsmicznego poprzez inwersję sejsmogramów. Przegląd
Górniczy 5, s. 49–55.
Rudziński i in. 2016 – Rudziński, Ł., Cesca, S. i Lizurek, G. 2016. Complex Rupture Process of the 19 March 2013, Rudna Mine (Poland) Induced Seismic Event and Collapse in the Light of Local and Regional Moment Tensor Inversion. Seismological Research Letters Vol. 87, s. 274–284, DOI:10.1785/0220150150. Whidden i in. 2013 – Whidden, K., Rudziński, Ł., Lizurek, G. i Pankow, K.L. 2013. Regional, local, and in-mine
moment tensor for the 2013 Rudna Mine collapse, Poland, Eos Trans. AGU (Fall Meet. 2013), Abstract S21-2396.
Wojtecki, Ł. i Dzik, G. 2013. Charakterystyka mechanizmu ognisk wysokoenergetycznych wstrząsów górotwo-ru występujących podczas eksploatacji ścianowej pokładu 507. Przegląd Górniczy 12, s. 17–22, UKD 622.333.83/.84: 622.504.1.
